某酸法地浸鈾礦山全采區(qū)地下水流場變化數(shù)值模擬

楊 冰，陳帥瑤，連國璽，郭華明，李世俊，梁大業(yè)，惠浩浩，趙傳虎

(1.中國地質(zhì)大學(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室，北京 100083；2.中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021；3.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

原地浸出采鈾技術(shù)(地浸)是集采、選、冶為一體的新型鈾礦采冶技術(shù)[1]。地浸生產(chǎn)過程中，通過注液井將合適的溶浸液注入到含礦含水層中，待金屬鈾溶解進入地下水后，再通過抽液井將浸出液抽出地表進行水冶處理。地浸采鈾以其基建投資少、建設(shè)周期短、生產(chǎn)成本低、污染小等特點，被廣泛應(yīng)用于天然鈾的生產(chǎn)中[2-3]。雖然地浸采鈾工藝較傳統(tǒng)的硬巖開采方法較為環(huán)保，但生產(chǎn)階段化學試劑的注入同樣會極大地改變含礦含水層地下水的氧化還原條件和酸堿條件，鈾和其他組分的浸出也會影響采區(qū)內(nèi)部地下水的水質(zhì)。地下水中各溶解組分的遷移是以區(qū)域流場為前提的，區(qū)域地下水的流向決定了逸散浸出液整體的遷移方向與遷移程度，為了避免浸出液的逸散對地下水環(huán)境造成更大范圍的影響，地浸生產(chǎn)過程中會保持總抽液量大于總注液量，人為形成總體向采區(qū)中心的水力梯度，將浸出液控制在一定范圍內(nèi)。

地浸鈾礦山一般通過監(jiān)測井來確定局部范圍內(nèi)水體流勢，從而調(diào)整井的抽注量，最大限度地回收資源，判斷地下水的環(huán)境情況[4-5]。監(jiān)測井的水位、水質(zhì)數(shù)據(jù)雖然可以為生產(chǎn)和地下水環(huán)境保護提供指示信息，但其結(jié)果一般僅能反應(yīng)單點情況，加之地層一般具有較強的非均質(zhì)性，流場及地下水環(huán)境的變化在區(qū)域上也會表現(xiàn)出一定差異。因此，利用數(shù)值模擬手段預測地浸鈾礦山區(qū)域流場的變化情況，結(jié)合監(jiān)測井水化學測試數(shù)據(jù)，更加科學地指導地浸鈾礦山的生產(chǎn)實踐顯得尤為重要。

數(shù)值模擬作為研究地下水問題的有效手段，已經(jīng)在地浸鈾礦山的流場變化情況及溶質(zhì)運移情況研究中得到較多應(yīng)用[6-10]，但針對我國地浸鈾礦山的數(shù)值模擬研究主要聚焦于生產(chǎn)單元[11-12]，對于數(shù)值模擬下全采區(qū)的流場變化研究鮮有報道。本文以我國北方某地浸鈾礦山為研究對象，建立全采區(qū)數(shù)值模型，再現(xiàn)該礦山自投產(chǎn)以來的區(qū)域流場變化特征，以期為該礦山抽注液量調(diào)整及地下水環(huán)境保護措施的選擇提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇我國北方某酸法地浸鈾礦山為研究對象，其含礦含水層位于賽漢組上段，含水層厚度大，分布穩(wěn)定，連續(xù)性好。該含水層為單一含水層，承壓性、富水性、滲透性良好，水位埋深為18.99～26.02 m，承壓水頭為40.01～71.48 m，滲透系數(shù)為2.9～13.2 m/d。礦床地下水主要接受北東鄰區(qū)地下水的側(cè)向補給，北西、南東的微弱側(cè)向補給，地下水總體從北東向南西緩慢徑流，最終排泄于南西部一帶。含礦含水層上下均分布有穩(wěn)定、連續(xù)的隔水層，隔水性能良好，含礦含水層與上覆含水層間無水力聯(lián)系。

2 地浸鈾礦山流場數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學模型

地下水流動遵循一定的物理規(guī)律，可由特定的控制方程進行描述，這些數(shù)學模型是數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)。對于各向異性、考慮源匯項的地下水三維滲流基本微分方程見式(1)。

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為滲透系數(shù)在x、y、z方向上的分量，m/d；H為含水層的水頭，m；W為源匯項，表示單位體積含水層在單位時間流出或流入地下水的體積，m3/d；Ss為承壓含水層為儲水率，1/m；t為時間，d。

僅根據(jù)該方程并不能刻畫某地區(qū)地下水流動特定規(guī)律，必須補充說明該研究區(qū)以外范圍對地下水流的影響，即邊界條件。對于非穩(wěn)定流問題，還需要確定研究區(qū)地下水的初始狀態(tài)，即初始條件。式(1)與研究區(qū)的邊界條件和初始條件一起構(gòu)成描述地浸鈾礦山各采區(qū)地下水流場的數(shù)學模型。本文利用美國Brigham Young University開發(fā)的地下水模擬系統(tǒng)GMS軟件進行研究，該軟件綜合了已有的MODFLOW、MODPATH、MT3DMS等地下水計算功能，具有良好的使用界面，強大的前處理、后處理功能及優(yōu)良的三維可視效果，是目前國際上主流的三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。

2.2 模型范圍

利用數(shù)值模擬技術(shù)解決實際地下水問題時宜選擇完整的水文地質(zhì)單元作為模擬區(qū)，以反應(yīng)實際的邊界條件對研究區(qū)域的影響。但在實際應(yīng)用中，由于關(guān)注區(qū)域的范圍相較于其所在的完整水文地質(zhì)單元范圍而言較小，因此需要根據(jù)實際情況劃定人為邊界。

本文主要參考該礦山投產(chǎn)前區(qū)域初始流場情況，借鑒我國成熟地浸鈾礦山的實際生產(chǎn)情況，充分考慮該地浸鈾礦山投產(chǎn)后地下水中鈾等元素的遷移距離，進而確定模型范圍，建立的模型范圍如圖1所示。

2.3 邊界條件

建立模型時，平行于等水頭線方向的邊界概化為通用水頭邊界；垂直等水頭線方向的邊界概化為零流量邊界；含礦含水層上下均分布有連續(xù)且穩(wěn)定的隔水層，與上下含水層之間無水量交換，因此該部分邊界也概化為零流量邊界。

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)該鈾礦山前期勘查階段所獲取的滲透系數(shù)結(jié)果，含礦含水層滲透系數(shù)為2.9～13.2 m/d，區(qū)域滲透系數(shù)為5.76 m/d，孔隙度、彌散度等水文地質(zhì)參數(shù)選擇經(jīng)驗值。 模型所用主要水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

圖1 模型范圍Fig.1 Modelling scope

表1 主要輸入?yún)?shù)一覽表Table 1 Main input parameters of model

2.5 初始條件

初始條件表征含水層中水頭分布的初始狀況，該地浸鈾礦山首采區(qū)投產(chǎn)于2015年，此前含礦含水層的水頭分布情況未受生產(chǎn)擾動，可以作為模型的初始條件。基于地勘階段水文井數(shù)據(jù)，插值獲得模擬區(qū)的初始水頭分布。

2.6 源匯項

該鈾礦山含礦含水層為承壓含水層，埋藏較深，大氣降水入滲與蒸發(fā)對含礦含水層的影響可不考慮，含礦含水層水量的變化主要由生產(chǎn)井的抽注引起。目前，該礦山共投產(chǎn)12個采區(qū)，本次研究區(qū)為礦區(qū)西南部的C1采區(qū)～C9采區(qū)，9個采區(qū)共有生產(chǎn)井649眼，其中，抽液井288眼，注液井361眼。本次數(shù)值模擬結(jié)合生產(chǎn)進度，選取C1采區(qū)～C9采區(qū)2015年12月至2020年8月的抽注液量，以月為單位概化后作為模型源匯項。

2.7 網(wǎng)格剖分

模擬區(qū)域水平向共劃分為356行，縱向分為339列，垂向剖分為7層，共計738 101個有效計算單元。 模型外圍計算單元為20 m×148 m～148 m×148 m的矩形網(wǎng)格，為加強計算精度和避免井位置在模型中偏移，在模擬研究采區(qū)處對網(wǎng)格進行加密處理，加密區(qū)計算單元約為9 m×9 m。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模型識別與驗證

為了避免模擬結(jié)果失真，需要對模型的結(jié)果進行識別與驗證。模型識別與驗證是結(jié)合水文地質(zhì)條件，通過調(diào)整模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等，達到模擬的地下水狀態(tài)(水頭、濃度等)與實測地下水狀態(tài)最大限度的擬合，使模型盡可能刻畫實際水文地質(zhì)條件，提高模型的仿真程度。本次模擬利用C1采區(qū)～C7采區(qū)觀測井不同時間的統(tǒng)測水位對模型進行識別與驗證，擬合結(jié)果見圖2～圖5。從結(jié)果看，模型擬合效果較好，可用來對生產(chǎn)條件下區(qū)域流場變化情況進行預測。

3.2 區(qū)域流場分析

圖2 2018年11月監(jiān)測井水頭擬合情況Fig.2 Head fitting of monitoring wells in November 2018

圖3 2019年5月監(jiān)測井水頭擬合情況Fig.3 Head fitting of monitoring wells in May 2019

圖4 2019年7月監(jiān)測井水頭擬合情況Fig.4 Head fitting of monitoring wells in July 2019

圖5 2019年11月監(jiān)測井水頭擬合情況Fig.5 Head fitting of monitoring wells in November 2019

圖6 不同時間采區(qū)流場情況Fig.6 Flow field in mining area in different time

該地浸鈾礦山不同時間區(qū)域流場情況如圖6所示。從模擬結(jié)果可以看出，自2015年12月生產(chǎn)至今，隨著礦山開采時間的延長，地浸生產(chǎn)對含礦含水層區(qū)域流場產(chǎn)生了明顯影響，初始流場狀態(tài)發(fā)生了一定程度的改變。生產(chǎn)抽注活動造成了采區(qū)及外圍一定范圍的地下水位波動，而采區(qū)外圍較遠處地下水位受到的影響相對較小。主要是因為采用抽液量大于注液量的生產(chǎn)方式，雖然可以形成指向采區(qū)中心的水力梯度，但為了避免浸出液過度稀釋，抽液量大于注液量的比例值較小，總體上保持在0.3%左右，這就使得采區(qū)內(nèi)部形成的“降落漏斗”范圍有限，對距采區(qū)邊界較遠處的地下水位影響較小。另外，該鈾礦山滲透性能較強，徑流條件較好，水位下降區(qū)可以較快得到側(cè)向補給，在一定程度上減小了遠距離處含礦含水層的水位變動。

利用水頭模擬結(jié)果繪制了各采區(qū)降落漏斗形成情況，不同年份C1采區(qū)～C9采區(qū)形成的“降落漏斗”情況見圖7～圖11。在2016年末，采區(qū)內(nèi)部形成的水頭下降區(qū)主要集中在最早投產(chǎn)的C1采區(qū)～C5采區(qū)周圍，隨著生產(chǎn)的進行，降落漏斗的范圍逐漸擴大并隨著抽注液量的變化而發(fā)生位置的變化。2019年12月，C8采區(qū)、C9采區(qū)陸續(xù)投產(chǎn)，在其附近也出現(xiàn)了較為明顯的地下水降落漏斗。

圖7 2016年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.7 Regional cone depression in mining areaat the end of 2016

圖8 2017年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.8 Regional cone depression in mining areaat the end of 2017

圖9 2018年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.9 Regional cone depression in mining areaat the end of 2018

圖10 2019年末采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.10 Regional cone depression in mining areaat the end of 2019

圖11 2020年8月采區(qū)降落漏斗示意圖Fig.11 Regional cone depression in mining areain August 2020

分析采區(qū)內(nèi)部生產(chǎn)井附近的地下水位情況可知，在地浸抽注活動的影響下，地下水原始流向被破壞，采區(qū)內(nèi)地下水位波動較大，地下水位受井群抽注控制呈現(xiàn)出高低不平的狀態(tài)。在生產(chǎn)過程中，溶浸液的注入與浸出液的抽出均帶壓實現(xiàn)，由于注液井的注液作用，在其周圍會形成一定范圍的高水頭區(qū)，地下水水位升高，形成點源，驅(qū)動溶浸液向四圍擴散；由于抽液井的抽液作用，抽液井周圍水頭降低，形成點匯，使周圍地下水抽液井匯聚。因此，抽注過程在地浸采區(qū)內(nèi)部會形成多個水頭高低各異的點源與點匯，驅(qū)動溶浸液均勻的流經(jīng)礦體，實現(xiàn)鈾的浸出。由于總抽液量大于總注液量，總體來看區(qū)域流場又呈現(xiàn)出降落漏斗的形態(tài)。

3.3 水化學監(jiān)測指標驗證

該地浸鈾礦山區(qū)域流場變化的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在當前的抽注條件下，各采區(qū)內(nèi)部基本能夠形成較為明顯的地下水降落漏斗，指向采區(qū)內(nèi)部的水力梯度可以有效控制采區(qū)內(nèi)部溶質(zhì)向外遷移的范圍。水動力與水化學的互證性研究表明，對于更加準確客觀地揭示地浸流場的形成進程以及溶質(zhì)運移規(guī)律十分重要[10]。因此，為了進一步證實區(qū)域流場狀態(tài)對于溶質(zhì)運移范圍的控制作用，利用監(jiān)測井的水化學指標對該地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍進行再次驗證。C1采區(qū)～C7采區(qū)監(jiān)測井地下水2016年12月至2018年6月pH值、鈾濃度、硫酸根濃度隨時間變化情況見圖12～圖14。

圖12 各監(jiān)測井pH值隨時間變化情況Fig.12 Changes of pH value with time indifferent monitoring wells

圖13 各監(jiān)測井鈾濃度隨時間變化情況Fig.13 Changes of uranium concentration with timein different monitoring wells

圖14 各監(jiān)測井硫酸根濃度隨時間變化情況Fig.14 Changes of sulfate concentration with timein different monitoring wells

從C1采區(qū)～C7采區(qū)監(jiān)測井地下水分析結(jié)果可以看出，采區(qū)投產(chǎn)一段時間后，監(jiān)測井地下水的3個指標基本維持在本底水平：各監(jiān)測井pH值基本保持在6.5～7.5；大部分監(jiān)測井地下水中鈾濃度低于50 μg/L，GW03監(jiān)測井、GW04監(jiān)測井、GW05監(jiān)測井和GW07監(jiān)測井地下水中鈾濃度上升較為明顯，大部分月份鈾濃度超過了100 μg/L， 個別月份的鈾濃度超過了150 μg/L； 各監(jiān)測井地下水中硫酸根濃度基本維持在350～450 mg/L。監(jiān)測井中測試指標濃度升高的主要原因是采區(qū)內(nèi)部浸出液的擴散作用，但這種影響的范圍和程度均有限，可以看出，由于生產(chǎn)期間，按照總抽液量大于總注液量的方式進行生產(chǎn)，浸出液被嚴格控制在一定范圍內(nèi)，采區(qū)外圍地下水中的關(guān)鍵指標均處于本底范圍。這也進一步證實了區(qū)域流場的改變、降落漏斗的形成很好地控制了地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍。

4 結(jié) 論

1) 區(qū)域流場形態(tài)是控制地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍的主控因素。受地浸鈾礦山抽注的影響，含礦含水層區(qū)域流場發(fā)生了明顯的變化，生產(chǎn)期間，采用總抽液量大于總注液量的生產(chǎn)方式，在采區(qū)及其周圍一定范圍內(nèi)形成了明顯的降落漏斗，有效地控制了溶浸液的逸散范圍，地浸生產(chǎn)活動對采區(qū)外圍地下水環(huán)境影響較小。

2) 采區(qū)內(nèi)部地下水水位波動較大，注液井周圍小范圍內(nèi)會形成明顯的水頭升高區(qū)，成為點源，而抽液井附近會形成水頭下降區(qū)，成為點匯。由于總抽液量大于總注液量，采區(qū)整體仍然會形成一個指向井場內(nèi)部的水力梯度，控制地下水中各組分的遷移距離。

3) 根據(jù)含礦含水層水化學測試指標可以得出，該地浸鈾礦山生產(chǎn)多年以來并未對地下水環(huán)境造成明顯影響，采區(qū)外圍一定范圍內(nèi)pH值、鈾及硫酸根等指標基本保持在本底范圍。地下水化學指標進一步證實了區(qū)域流場的形態(tài)對控制地浸鈾礦山地下水環(huán)境影響范圍的主控作用。

4) 利用數(shù)值模擬手段結(jié)合現(xiàn)場地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以更加充分地刻畫地浸鈾礦山的地下水環(huán)境影響現(xiàn)狀，對指導地浸鈾礦山生產(chǎn)實踐有著十分積極的作用。